PLC技術(shù)煤礦井下應(yīng)用研究

陳敏

（重慶市科能高級(jí)技工學(xué)校，重慶 400037）

PLC技術(shù)煤礦井下應(yīng)用研究

陳敏

（重慶市科能高級(jí)技工學(xué)校，重慶 400037）

針對(duì)煤礦井下網(wǎng)線覆蓋范圍只有100m，光纖在井下焊接不安全等問(wèn)題，研究電力線傳輸技術(shù)在煤礦井下使用的技術(shù)可行性以及安全可行性。設(shè)計(jì)了安全可靠的電力線傳輸技術(shù)。經(jīng)產(chǎn)品測(cè)試，綜合數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過(guò)處理后的電力線傳輸技術(shù)符合煤礦井下安全規(guī)程要求，網(wǎng)線覆蓋距離達(dá)到2km，可以取代光纖傳輸，杜絕了井下光纖焊接的安全性問(wèn)題。

工業(yè)以太網(wǎng)；PLC；電力線載波；本質(zhì)安全；信號(hào)耦合

隨著國(guó)家對(duì)煤礦安全的日益重視以及煤礦綜合自動(dòng)化程度的不斷提升，煤礦井下廣播系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、語(yǔ)音電話系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)等大量使用，煤礦井下通訊數(shù)據(jù)量越來(lái)越大。工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)由于其帶寬高、光纖傳輸距離遠(yuǎn)以及環(huán)網(wǎng)冗余的保護(hù)機(jī)制等特點(diǎn)，可以滿足生產(chǎn)礦井的需要。

但是，由于工業(yè)以太網(wǎng)在高帶寬模式下，只有光纖傳輸與網(wǎng)線傳輸模式，該兩種模式存在一定的缺陷：光纖傳輸在煤礦掘進(jìn)巷道等需要移動(dòng)通訊設(shè)備的地方溶解光纖非常不方便；網(wǎng)線傳輸距離只有100m左右。煤礦掘進(jìn)等地方需要隨時(shí)移動(dòng)設(shè)備，并且需要傳輸工業(yè)視頻等高帶寬設(shè)備信息，工業(yè)以太網(wǎng)暫時(shí)無(wú)法滿足該功能的需求。而具有傳輸距離遠(yuǎn)、有一定網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬以及以電纜為傳輸介質(zhì)的PLC技術(shù)完全可以解決以上問(wèn)題。

1 技術(shù)簡(jiǎn)介

電力線通信（Power Line Communication，英文簡(jiǎn)稱PLC）技術(shù)是指利用電力線通信數(shù)據(jù)和媒體信號(hào)的一種通信方式。該技術(shù)是把載有信息的高頻信號(hào)加載于電流，利用電源線進(jìn)行傳輸，接受信息的適配器再把高頻信號(hào)從電流中分離出來(lái)，信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波處理，轉(zhuǎn)換為用戶需要的各種類型信號(hào)。

電力線通信技術(shù)具有的最大優(yōu)點(diǎn)在于不需要單獨(dú)鋪設(shè)通信電纜，只要設(shè)備具有交流電源就能把信號(hào)進(jìn)行傳輸；另外，電力線技術(shù)采用電纜傳輸，用戶維護(hù)方便，維護(hù)時(shí)不需要考慮光纖焊接時(shí)需要準(zhǔn)備的大量安全措施。

2 PLC在煤礦的運(yùn)用領(lǐng)域及可行性分析

由于PLC載波技術(shù)物理載體雖然為電力線，但是信號(hào)本質(zhì)上是基于電流傳輸，煤礦相關(guān)于瓦斯監(jiān)控等停電仍然需要運(yùn)行的系統(tǒng)是不能用PLC進(jìn)行傳輸，因此，PLC主要運(yùn)用于視頻信號(hào)傳輸以及非涉及到安全生產(chǎn)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸。

PLC通信技術(shù)相當(dāng)成熟，但是該技術(shù)只考慮非爆炸性環(huán)境使用，在安全技術(shù)方面存在很多問(wèn)題，不能簡(jiǎn)單把該技術(shù)直接運(yùn)用于煤礦井下，需要對(duì)各種輸出信號(hào)進(jìn)行有效的安全處理措施。

3 相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)

PLC通信由于其技術(shù)的特殊性質(zhì)，在煤礦領(lǐng)域進(jìn)行使用需要做好幾方面的工作：第一，設(shè)備工作電源的安全性設(shè)計(jì)；第二，由于電源干擾大，需要進(jìn)行信號(hào)濾波處理。

為了確保技術(shù)的安全性，輸出信號(hào)必須進(jìn)行本質(zhì)安全處理。

（1）電源設(shè)計(jì)。PLC通信載波芯片目前都采用5V工作電源。RJ45網(wǎng)絡(luò)信號(hào)輸出為本質(zhì)安全型信號(hào)，根據(jù)煤礦安全標(biāo)準(zhǔn)要求，工作電源必須設(shè)計(jì)過(guò)流過(guò)壓雙重保護(hù)。具體設(shè)計(jì)電路見(jiàn)電源設(shè)計(jì)圖1。采用晶閘管保護(hù)，保護(hù)電壓為5.6V，電源電路雙重過(guò)壓保護(hù)電路如圖1。

圖1 電源電路圖

（2）耦合信號(hào)濾波處理。輸出PLC信號(hào)為非本安信號(hào)，作為井下設(shè)備，非本安信號(hào)與本安信號(hào)和外殼之間需能承受3000VAC耐壓。選用變壓器進(jìn)行信號(hào)耦合，變壓器變比為1:1，原邊和副邊隔離耐壓為3750VAC。原邊增加C7、C8高耐壓電容將變壓器與工頻交流強(qiáng)電隔離，使通信電路能完全隔離電力網(wǎng)工頻信號(hào)。電路原理見(jiàn)PLC信號(hào)耦合電路圖2。

圖2 PLC信號(hào)耦合電路

選擇限流電阻為1MΩ，其功率：W=U2/ R=660×660÷(106+106)=0.2178W

最大功耗為：Wmax=W×1.7=0.2178×1.7=0.37W

設(shè)計(jì)電阻為1MΩ，功率為0.5W。

R7、R8為限流電阻，輸入電壓為660VAC。電流值I:I=U÷R=660÷2÷106=0.33mA

副邊設(shè)計(jì)RC濾波電路，增加共模抑制，查模抑制TVS。T2變比為1：1，T2副邊電流也為0.33mA，選擇副邊電阻為0.51Ω0.125W。

（3）技術(shù)安全性。PLC技術(shù)運(yùn)用于煤礦井下，輸出信號(hào)除了要滿足隔離耐壓要求，還需要滿足：第一，相關(guān)安全的PCB設(shè)計(jì)要求；第二，本安信號(hào)必須滿足本質(zhì)安全需求，相應(yīng)設(shè)計(jì)安全柵電路。

①PCB設(shè)計(jì)要求。PCB設(shè)計(jì)時(shí)，本安端子與非本安端子之間電氣間隙不小于50mm。當(dāng)電壓峰值為660V時(shí)，導(dǎo)電部件間的距離參考GB3836.4-2010中6.3節(jié)。

②信號(hào)隔離與安全柵電路。RJ45輸出為本安信號(hào)，輸出信號(hào)與設(shè)備外殼以及非本安端具有一定耐壓隔離。電路設(shè)計(jì)時(shí)采用網(wǎng)路數(shù)據(jù)變壓器，該變壓器采用雙鐵芯，設(shè)計(jì)接地線，原邊與副邊之間支持1500VAC隔離。

網(wǎng)絡(luò)RJ45信號(hào)輸出信號(hào)電壓為3.3VDC，安全柵電路設(shè)計(jì)2個(gè)雙向TVS，電壓為3.6VDC，保險(xiǎn)絲為0.2A2Ω。限流電阻選擇為2.2Ω，保護(hù)電壓為3.3V。由于電阻絲的熔斷具有一定時(shí)間時(shí)間，限流電阻需要在這個(gè)時(shí)間能保證正常工作，保護(hù)電流值ILIM：

選擇限流電阻功率為2W。安全柵電路圖如圖3所示。

圖3 安全柵電路圖

4 試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，煤礦井下產(chǎn)品必須滿足隔離耐壓測(cè)試。產(chǎn)品經(jīng)過(guò)測(cè)試，非本安端與外殼之間耐壓值為3082VAC,非本安端與本安端之間耐壓值為3107VAC，本安端與外殼之間耐壓值為1500VAC。

通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了傳輸距離與傳輸帶寬測(cè)試，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 傳輸距離與帶寬測(cè)試表

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)PLC技術(shù)耦合濾波的研究以及各種信號(hào)安全隔離的處理，實(shí)現(xiàn)了PLC技術(shù)在煤礦井下的使用。產(chǎn)品模擬現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行一系列測(cè)試得知，信號(hào)安全處理以后的PLC技術(shù)能在網(wǎng)絡(luò)帶寬為5.4Mbps情況下使用普通電纜為通訊載體，其傳輸距離可達(dá)到2km。

目前該技術(shù)產(chǎn)品正進(jìn)行安標(biāo)送檢工作中，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的技術(shù)研究以及安全性研究，相信PLC技術(shù)在煤礦局部區(qū)域能代替光纜傳輸技術(shù)，得到廣泛應(yīng)用。

[1]國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局. 煤礦安全規(guī)程[S]. 煤炭工業(yè)出版社，2009.

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TD528.1

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1671-0711（2017）06（下）-0171-02